Tienenie

Správna realizácia tienenia výkonového kábla medzi frekvenčným meničom a elektromotorom patrí medzi najdôležitejšie faktory ovplyvňujúce elektromagnetickú kompatibilitu (EMC) pohonového systému. Nevhodné alebo nedostatočné tienenie spôsobuje zvýšené elektromagnetické vyžarovanie, ktoré sa môže prejaviť ako rušenie meracích a riadiacich obvodov, nespoľahlivá komunikácia medzi zariadeniami, alebo v extrémnych prípadoch ako nežiadúce vypínanie meničov a poškodenie ložísk elektromotorov.

Moderné frekvenčné meniče používajú rýchle polovodičové spínače (IGBT tranzistory), ktoré generujú veľmi strmé napäťové hrany (typicky až niekoľko kV/µs). Tieto vysokofrekvenčné komponenty napätia sa prenášajú po napájacom kábli do motora a vytvárajú parazitné kapacitné a indukčné väzby. Ak kábel nie je tienený alebo ak je tienenie pripojené nevhodným spôsobom, vzniká z neho efektívna anténa, ktorá vyžaruje širokopásmové elektromagnetické rušenie. To následne ovplyvňuje činnosť okolitých zariadení – najmä riadiacich PLC, snímačov, komunikácií po zberniciach (napr. Profinet, CANopen, EtherCAT) či slaboprúdových signálov.

Z hľadiska návrhu pohonového systému je preto nevyhnutné používať symetrické, tienené motorové káble s hustým medeným opletením (minimálne 85 % pokrytie), pričom tienenie musí byť uzemnené na oboch koncoch – priamo pri výstupe z meniča a na kostre elektromotora. Uzemnenie musí byť realizované 360° kontaktom (napr. pomocou EMC svoriek), nie dlhým jednostranným vodičom („pigtailom“), ktorý výrazne zvyšuje impedanciu spojenia pre vysoké frekvencie. Nesprávne pripojené tienenie často znižuje jeho účinnosť až o rád desiatky decibelov.

Technický význam tienenia a 360° uzemnenia v pohonových systémoch

Správne navrhnuté a realizované tienenie výkonových káblov medzi meničom a elektromotorom slúži na obmedzenie prieniku vysokofrekvenčného rušenia (EMI) do okolia. Frekvenčné meniče využívajú rýchle spínanie výkonových tranzistorov (IGBT, MOSFET) s typickými strmosťami napäťových hrán v rozsahu 2–10 kV/µs. Tieto prudké zmeny napätia spôsobujú vysokofrekvenčné prúdy v parazitných kapacitách medzi fázovými vodičmi, tienením kábla a zemou.

Ak je tienenie pripojené iba jednostranne alebo pomocou dlhého, tenkého vodiča („pigtail“), vzniká vysokofrekvenčná impedancia, ktorá bráni odvedeniu týchto rušivých prúdov do zeme. V dôsledku toho sa rušenie vyžaruje do priestoru a prenáša späť do riadiacich obvodov, čo môže viesť k:

• zarušeniu analógových signálov (napr. z enkodérov alebo snímačov)  

• chybným stavom PLC alebo zbernice (napr. Profinet, EtherCAT, CANopen)

• nadmerným ložiskovým prúdom v motore

• spúšťaniu ochranných funkcií meniča (Earth Fault, Leakage, DC bus error)

Prečo “pigtail” nefunguje ?

Použitie tzv. pigtailu – teda jedného odizolovaného drôtika z opletenia pripojeného na PE svorku – je častá chyba, ktorá úplne degraduje účinnosť tienenia. Takýto vodič sa z hľadiska vysokých frekvencií správa ako indukčnosť, pričom už 10 cm dĺžky vodiča môže mať impedanciu 30–50 Ω pri 10 MHz. To znamená, že rušivé prúdy namiesto odvedenia do zeme začnú vytvárať napäťové rozdiely, čím sa tienenie správa ako anténa a zhoršuje EMC o 20–40 dB. V praxi to znamená, že systém, ktorý by inak vyhovel norme EN 61800-3, ju zrazu nesplní.

Prečo uzemniť na oboch koncoch ?

Niekedy sa možno stretnúť s tvrdením, že „tienenie sa má uzemniť len na jednej strane, aby sa zabránilo zemným slučkám“. Toto platilo pre nízkofrekvenčné signály (napr. audio alebo analógové meranie), nie pre vysokofrekvenčné prúdy z frekvenčných meničov. Pri pohonoch je naopak nevyhnutné uzemniť tienenie na oboch koncoch, pretože:

• znižuje sa celková impedancia pre vysokofrekvenčné prúdy,

• rušivé prúdy majú kratšiu návratovú cestu,

• eliminuje sa vyžarovanie po dĺžke kábla,

• minimalizuje sa riziko indukovaných napätí na konštrukcii stroja.

Kvalitatívny rozdiel – merateľné hodnoty

​ ​ ​ ​Typ pripojenie tienenia ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​​   Útlm rušenia (at 10 MHz)

​ ​ ​ ​360° EMC svorka na oboch koncoch  ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​   ​​​> 60 dB

​ ​ ​ ​360° pripojenie len na jednej strane   ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​​25–30 dB

​ ​ ​ ​"Pigtail" na jednej strane ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​   < 10 dB

Podmienky pre dosiahnutie maximálnej účinnosti tienenia

Použitie vhodného kábla

• Symetrický trojfázový motorový kábel určený pre frekvenčné meniče

• Husté medené opletenie tienenia – minimálne 85 % pokrytie

• Vhodná izolácia s nízkou kapacitou a vysokou teplotnou odolnosťou

Uzemnenie tienenia na oboch koncoch

• Tienenie musí byť vodivo spojené s kostrou meniča aj elektromotora

• Zabezpečuje sa tým nízka impedancia pre vysokofrekvenčné prúdy a uzatvorená návratová cesta

Použitie 360° EMC kontaktu

• Uzemnenie musí byť realizované po celom obvode opletenia, nie len jedným vodičom

• Najlepšie pomocou EMC svoriek, priechodiek alebo svorkovníc s plochým kontaktom

Minimálna dĺžka nekrytých častí tienenia

• Opletenie nesmie byť dlhšie odizolované než 2–3 cm

• Každý centimeter navyše zvyšuje vyžarovanie a znižuje účinnosť tienenia

Zabránenie použitia „pigtailu“

• Jednostranný odizolovaný vodič z opletenia (tzv. pigtail) degraduje tienenie až o 90 %

• Vysokofrekvenčná impedancia bráni odvádzaniu rušivých prúdov

Spoľahlivé pripojenie k uzemneniu (PE)

• EMC svorky musia byť pevne prichytené na uzemnenú kovovú konštrukciu alebo lištu

• Povrch musí byť vodivo prepojený (bez laku, farby alebo oxidov)

Správne vedenie kábla

• Výkonové káble viesť oddelene od signálnych a dátových vedení

• Ak sa musia križovať, potom v pravom uhle

• Vyhnúť sa paralelnému vedeniu s komunikačnými linkami (Profinet, CANopen, atď.)

Uzemnenie celej sústavy

• Všetky kovové časti (skrine, rozvádzače, motor, nosné konštrukcie) musia byť potenciálovo zjednotené

• Eliminuje sa tým vznik rozdielových napätí a zemných slučiek

Použitie EMC priechodiek a filtrov pri vstupe/výstupe z rozvádzača

• Zabraňujú prenikaniu rušenia cez kovovú stenu skrine

• Udržujú kontinuálne tienenie aj pri prechode kábla